KR20080016123A - Parallel boost bilateral control switch inverter - Google Patents
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Abstract
Description
도1a는 종래의 자기회로의 권선과 승압형인버터회로도,Figure 1a is a winding of the conventional magnetic circuit and the step-up inverter circuit diagram;
도1b는 종래의 에너지변환(전동모드, 회생모드)작용원리 설명도,1B is an explanatory view of a conventional principle of energy conversion (electric mode, regenerative mode);
도2a는 본 발명의 이극YY결선과 병렬 승압형 양방향제어스위치인 버터회로 구성도, Figure 2a is a configuration diagram of the butter circuit of the bipolar YY connection and parallel boost type bidirectional control switch of the present invention;
도2b는 본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터의 초기 동작설명도, 2B is an initial operation explanatory diagram of a parallel boost type bidirectional control switch inverter of the present invention;
도2c는 본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터의 교대 동작설명도, 2C is an explanatory view of an alternate operation of the parallel boost type bidirectional control switch inverter of the present invention;
도3은 본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터의 스위칭 시퀸스도,3 is a switching sequence diagram of a parallel boost type bidirectional control switch inverter of the present invention;
본 발명은 양방향제어스위치회로로 구성된 인버터와 충·방전커패시터, 충·방전제어스위치, 전원제어스위치로 구비된 회생제어회로를 체결한 승압형인버터를 병렬구성하고, 이극YY결선(bipolar YY connection) 및 이극△△결선한 전동기와 변압기를 연결하여 동력과 상호유도를 일으키는 전동모드와, 역기전력을 커패시터에 충전시킨 후에 전동모드변환 시에 방전시켜 승압전원으로 이용하는 회생모드가 동시구현 및 모드변환 구현이 되도록 구성하며, 특히 회생모드에서 양방향제어스위치로 역기전력방향을 제어하여 역기전력이 토크로 이용되도록 구성한 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터에 관한 것이다.The present invention provides a parallel configuration of a booster inverter in which an inverter composed of a bidirectional control switch circuit and a regenerative control circuit including a charge / discharge capacitor, a charge / discharge control switch, and a power control switch are configured in parallel, and a bipolar YY connection. The two-pole △△ connected electric motor and transformer are connected to each other to generate power and mutual induction, and the counter-electromotive force is charged to the capacitor and then discharged at the time of electric mode conversion. In particular, the present invention relates to a parallel boost type bidirectional control switch inverter configured to control the counter electromotive force with a bidirectional control switch in regenerative mode so that the counter electromotive force is used as a torque.
지금까지 사용되어온 일반인버터와 승압형인버터는 도1a에 도시된 바와 같이 인버터의 스위치 turn-off시에 발생하는 서지(surge)형태의 역기전압을 승압회로(4)의 커패시터(5)에 저장하고 저장된 에너지는 승압회로의 방전제어스위치(6)이용하여 인버터에 인가하도록 구성되지만 에너지저장량이 적기 때문에 완전한 승압은 이루어지지 못하고, 임펄스전압형태로 만 전압을 인가할 수 있으므로 승압이 목적이 아니라 전류밀도를 약간 향상시키고자 하는 목적에 불과하였다.As shown in FIG. 1A, the general inverter and the boost type inverter that have been used up to now store the surge-type counter voltage generated in the switch-off of the inverter in the capacitor 5 of the boost circuit 4. The stored energy is configured to be applied to the inverter by using the discharge control switch 6 of the boosting circuit. However, since the energy storage amount is small, the complete boosting is not possible. Since the voltage can be applied only in the form of an impulse voltage, the boosting is not the purpose but the current density. It was only for the purpose of improving it slightly.
에너지자원이 희소물자로 되면서 에너지이용효율을 높이기 위한 노력의 하나로 역기전력을 회생에너지로 재활용하기 위하여 자기회로의 권선방법을 병렬권선으로 바꾸고, 단방향제어스위치대신에 양방향제어스위치회로와 회생제어회로로 구성된 병렬 승합형 양방향제어스위치인버터를 연결시켜 도1b에서 제시한 전동모드(9)와 회생모드(10)가 동시에 동작되는 동시구현 및 모드변환구현이 가능하도록 구성하며, 회생모드에서 역기전력의 방향을 제어하여 역기전력을 토크로 이용하는 새로운 인버터회로가 요구되었다.In order to improve the energy utilization efficiency as energy resources become scarce materials, the winding method of magnetic circuit is changed to parallel winding in order to recycle back EMF to regenerative energy, and it consists of two-way control switch circuit and regenerative control circuit instead of one-way control switch. By connecting the parallel multi-way bidirectional control switch inverter, the motor mode 9 and the
본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위한 것으로 그 목적은 인버터의 turn- off로 발생한 코일의 표류전류와 전동모드에서 상호유도로 발생한 역기전력을 회생에너지로 이용하기 위함이다.The present invention has been made to solve this problem, and its purpose is to use the stray current of the coil generated by turn-off of the inverter and the counter electromotive force generated by mutual induction in the electric mode as regenerative energy.
본 발명의 다른 목적은 전동모드에서 역기전력을 승압전원으로 이용하고 회생모드에서는 역기전력의 출력방향자속과 전동모드의 전원입력방향자속을 일치시켜 보다 높은 토크로 이용하기 위함에 있다.Another object of the present invention is to use the counter electromotive force as a boosting power in the electric mode and to use the higher torque by matching the output direction magnetic flux of the counter electromotive force with the power input direction magnetic flux in the electric mode.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면 본 발은 단방향제어스위치를 역병렬로 구성한 양방향제어스위치회로로 구성된 인버터; According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention provides an inverter comprising a bidirectional control switch circuit comprising a unidirectional control switch in reverse parallel;
와 평활 커패시터(smoothing capacitor)(+)리드선과 인버터의 전원인가 연결단자 사이에서 양방향제어스위치인버터로의 전원인가와 전원차단을 제어하는 전원제어스위치를 부착하고, 역병렬다이오드가 체결된 충·방전제어스위치의 콜렉터(collector)부위는 회생에너지 충·방전커패시터의 (+)리더선과 직렬 연결시키며, 역병렬다이오드가 체결된 충·방전제어스위치의 에미터(emitter)부위는 양방향제어스위치인버터의 전원인가연결단자와 연결되도록 구성하고 회생에너지 충·방전커패시터의(-)리더선과 평활 커패시터(+)리드선사이의 전원선과 함께 연결되도록 구성한 회생제어회로; Between the smoothing capacitor (+) lead wire and the power supply terminal of the inverter, and the power supply control switch to control the power supply and the power supply to the bidirectional control switch inverter, and the anti-parallel diode is connected. The collector part of the control switch is connected in series with the positive lead wire of the regenerative energy charge / discharge capacitor, and the emitter part of the charge / discharge control switch with the antiparallel diode is connected to the power supply of the bidirectional control switch inverter. A regenerative control circuit configured to be connected to an applied connection terminal and configured to be connected together with a power line between a (-) leader line and a smoothing capacitor (+) lead line of the regenerative energy charge / discharge capacitor;
로 구비된 승압형 양방향제어스위치인버터;Step-up bidirectional control switch inverter provided with;
와 이극YY결선 및 이극△△결선한 다상전동기 및 다상변압기;Multi-phase motors and multi-phase transformers connected with two-pole YY and two-pole △△;
의 이극(bipolar) 3상 결선과 연결시킨 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터; 가 제공된다. A parallel boost type bidirectional control switch inverter connected to a bipolar three-phase connection of the inverter; Is provided.
이러한 구성에 대하여 그 원리와 작용을 설명하면 다음과 같다. The principle and operation of this configuration are as follows.
도2a는 본 발명의 이극YY결선된 자기회로와 병렬 승합형 양방향제어스위치인버터 회로도로써 편의상 이극YY결선된 자기회로를 중심으로 제시하였으나 △△결선된 자기회로에도 적용된다. FIG. 2A is a circuit diagram of a bipolar YY connected magnetic circuit and a parallel multiplication type bidirectional control switch inverter circuit of the present invention. For convenience, the magnetic circuit connected to the bipolar YY connected magnetic circuit is applied.
본 발명은 교류를 직류로 정류하는 정류회로(20), 병렬 구성된 회생제어회로(21, 23), 양방향제어스위치회로로 병렬 구성된 인버터회로(22, 24) 이극YY결선된 자기회로(25)로 구성된다.The present invention includes a
보다 상세하게 설명하면 회생제어회로(21, 23)의 구성은 평활 커패시터(226, 246)(smoothing capacitor)(+)리드선과 양방향제어스위치인버터(22, 24)의 전원인가 연결단자(227, 247) 사이에서 양방향제어스위치인버터(22, 24)로의 전원인가와 전원차단을 제어하는 전원제어스위치(223, 243)를 부착하고, 역병렬다이오드가 체결된 충·방전제어스위치(224, 244)의 콜렉터(collector)부위는 회생에너지 충·방전커패시터(225, 245)의 (+)리더선과 직렬 연결시키며, 역병렬다이오드가 체결된 충·방전제어스위치(224, 244)의 에미터(emitter)부위는 인버터(22, 24)의 전원인가연결단자(227, 247)와 연결되도록 구성하고 회생에너지 충·방전커패시터(225, 245)의(-)리더선과 평활 커패시터(226, 246)(+)리드선사이의 전원선(228, 248)과 함께 연결되도록 구성되어 있다. In more detail, the configuration of the
양방향제어스위치인버터(22, 24)의 구성은 단방향제어스위치를 역병렬로 구 성한 양방향제어스위치(26)를 상에 2개로 구성하여 3상에 6개로 구성되며 양방향제어스위치인버터1(22)과 2(24)로 분리하고 있다. 본 발명에서는 양방향제어스위치인버터1(22)과 양방향제어스위치인버터2(24)로 병렬 구성되어 있다.The bidirectional
자기회로(25)의 이극YY결선(이극△△결선포함)구성은 UL1코일권선(251), VL1코일권선(252), WL1코일권선(253)으로 구성된 Y결선(257)과 권선방향을 달리한 UL2코일권선(254), VL2코일권선(255), WL2코일권선(256)으로 구성된 Y결선(258)으로 구성되며The two-pole YY connection (including the two-pole △△ connection) of the
UL1코일권선(251), VL1코일권선(252), WL1코일권선(253)으로 구성된 Y결선(257)은 인버터1과 연결되고, 권선방향을 달리한 UL2코일권선(254), VL2코일권선(255), WL2코일권선(256)으로 구성된 Y결선(258)은 양방향제어스위치인버터2와 연결되어 있다.The
이러한 이극YY결선은 일편의 Y결선에 흐르는 전류의 방향과 다른 편의 Y결선에 흐르는 전류의 방향이 반대가 될지라도 동일한 자극이 형성되도록 결선하여 전동모드의 전원인가 방향과 회생모드의 역기전력의 출력방향에 의해 자기상쇄가 없도록 하기 위함이다.This bipolar YY connection is connected so that the same magnetic pole is formed even if the direction of the current flowing in one Y connection and the current flowing in the other Y connection is reversed, so that the direction of applying power in the electric mode and the output direction of the counter electromotive force in the regenerative mode This is to prevent the self-offset by.
도2b는 본 발명의 이극YY결선된 자기회로(25)와 연결 구성된 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터의 작용을 설명하기 위하여 제시한 도면으로써 초기동작을 위한 전동모드와 회생모드의 작용을 살펴보면 다음과 같다.2b is a view for explaining the operation of the parallel boost type bidirectional control switch inverter connected to the two-pole YY-connected
도3의 4극 3상 스위칭 시퀸스(sequence)도에 제시된 스위칭 시퀸스(sequence)(31)에 근거하여 전원제어스위치(223)와 양방향제어스위치인버터1(22) 의 S1전동모드스위치(211), S4전동모드스위치(214), S8회생모드스위치(218), S9회생모드스위치(219), S5양방향스위치(215, 221)를 turn-on하면, 전원은 UL1코일(251)과 WL1코일(253)을 따라 VL1코일(252)에서 합쳐져서 (-)단과 평활용 커패시터(226)를 통하여 전원순환회로가 구성되며 자기회로(25)에서는 기계각 0ㅀ∼30ㅀ, 전기각 0ㅀ∼60ㅀ동작하게 된다.S1
그런데 양방향제어스위치인버터1(22)이 전동모드로 작용시킴에도 S8회생모드스위치(218), S9회생모드스위치(219), S5회생모드스위치(221)를 turn-on시켜놓는 이유는 전동모드의 turn-off로 전원이 차단될 경우 역전위차로 발생하는 역기전력의 방향을 제어하여 자기회로(25)내의 다음동작을 위한 자속을 변화시키기 위함이다. However, the reason why the S8 regenerative mode switch 218, the S9 regenerative mode switch 219, and the S5 regenerative mode switch 221 are turned on even though the bidirectional control switch inverter 1 22 operates in the electric mode is because of the electric mode. This is to change the magnetic flux for the next operation in the
반대로 양방향제어스위치인버터2(24)와 연결된 Y결선(258)의 코일에서는 UL1코일(251)과 WL1코일(253)을 따라 VL1코일(252)로 흐르는 전원에 의해 UL2코일(254)과 WL2코일(256) 및 VL2코일(255)에 상호유도가 발생하는 동시에 동기전동기의 경우 역기전력이 발생한다. 이렇게 발생한 상호 유도된 전원과 역기전력은 S19회생모드스위치(237), S22회생모드스위치(240), S23회생모드스위치(241)를 turn-on하면, VL2코일(255)을 따라 UL2코일(254)과 WL2코일(256)로 흘러 충·방전제어스위치(244)의 역병렬다이오드를 통하여 회생에너지 충·방전커패시터(245)에 충전된다.On the contrary, in the coil of the
이 때, 인가전압은 역기전력보다 전위차가 높기 때문에 회생제어회로2(23)의 전원제어스위치(243)를 turn-off하여 인가전압을 차단시켜야한다. At this time, since the applied voltage has a higher potential difference than the counter electromotive force, the applied voltage must be turned off by turning off the power
인가전압을 차단시키지 않을 경우 역기전력의 회생에너지로의 변환은 어렵게 된다. 단지 스위치의 on/off 변환할 때 나타나는 서지형태의 고압만이 커패시터에 저장된다. If the applied voltage is not blocked, it is difficult to convert the counter electromotive force into regenerative energy. Only the surge voltage, which appears when the switch is on or off, is stored in the capacitor.
그런데 인가전류의 방향과 역기전력의 전류방향은 서로 반대로 작용하지만 작용코일권선이 분리되어 있고 권선방향이 다르기 때문에 자기감쇄현상보다 자기증폭현상이 발생하며 토크가 향상된다.However, the direction of the applied current and the current of the counter electromotive force are opposite to each other, but because the coil windings are separated and the winding direction is different, the magnetic amplification phenomenon and the torque are improved.
여기서 주의해서 관찰해야하는 것은 자기포화현상이다. 자기포화가 되지 않도록 전류제어가 요구된다. One thing to watch out for here is self-saturation. Current control is required to prevent self saturation.
도2c는 본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터의 교대동작설명도로써 교대동작구동방식을 설명하기 위하여 제시한 것이다.FIG. 2C is an explanatory view of an alternate operation of the parallel boost type bidirectional control switch inverter of the present invention to explain the alternate operation driving method.
전동모드로 사용하였던 양방향제어스위치인버터1(22)과 전원제어스위치(223)를 회생모드로 전환하고 회생모드로 사용하였던 양방향제어스위치인버터2(24)의 회생모드스위치를 turn-off시켜 전동모드로 전환시키는 것을 교대동작구동이라 한다.Switch the bidirectional control switch inverter 1 (22) and the
전원제어스위치(223)와 양방향제어스위치인버터1(22)의 S1전동모드스위치(211), S4전동모드스위치(214), S5전동모드스위치(215) turn-off하면 UL1코일(251)과 WL1코일(253)을 따라 VL1코일(252)에서 합쳐져서 (-)단으로 흐르던 전원은 역기전력으로 변환되어 (-)단으로부터 S8회생모드스위치(218)와 연결된 UL1코일(251)과 WL1코일(253), VL1코일(252)을 따라 S9회생모드스위치(219), S5회생모드스위치(221)를 거쳐 충·방전제어스위치(224)의 역병렬다이오드를 통하여 회생에너지 충·방전커패시터(225)에 충전된다.When the
역기전력이 UL1코일(251)과 WL1코일(253), VL1코일(252)을 지나가면서 도3의 스위칭 시퀸스(32)와 같이 자속을 유도하게 되며 양방향제어스위치인버터2(23)가 전동모드로 변환되어 전원을 인가하기 이전에 자기회로(25)에서는 다음동작모드로 전환되어 동작하게 된다.The counter electromotive force passes the
이러한 역기전력은 매우 짧은 순간에 이루어지기 때문에 양방향제어스위치인버터2(23)를 전동모드로 전환하여 전원을 인가해야 한다.Since the counter electromotive force is made in a very short moment, the power must be applied by switching the bidirectional control switch inverter 2 (23) to the electric mode.
이때의 전원인가 방법은 기계각 30ㅀ∼ 60ㅀ, 전기각 60ㅀ∼120ㅀ를 동작시키기 위해서 도3의 스위칭 시퀸스(sequence)도에 제시된 인버터2 (24)의 시퀸스(32)에 근거하여 전원제어스위치(223)와 충·방전제어스위치(244)를 turn-on시켜 전원의 인가와 회생에너지의 방전으로 합성된 승압전원을 양방향제어스위치인버터2(24)의 S15전동모드스위치(233), S17전동모드스위치(235) S14전동모드스위치(232)와 함께 도3의 스위칭 시퀸스(43) 기계각60ㅀ∼90ㅀ전기각 120ㅀ∼180ㅀ에 근거한 역기전력제어를 위하여 S24회생모드스위치(242), S19회생모드스위치(237) S21회생모드스위치(239)를 turn-on하면 승압된 전원은 S15전동모드스위치(233)와 연결된 VL2(255)코일, S17전동모드스위치(235)와 연결된 WL2(256)코일을 따라 UL2(254)코일과 S14전동모드스위치(232)를 지나 (-)단으로 흐르게 되면서 기계각 30ㅀ∼ 60ㅀ, 전기각 60ㅀ∼120ㅀ동작시키게 된다.The power supply method at this time is based on the
이러한 방법으로 전원을 제어하게 되면 전동기는 회전하게 되고 역기전력은 승압을 위한 회생에너지와 토크로 이용하게 되면 외부의 에너지소모를 줄일 수 있다. When the power is controlled in this way, the electric motor rotates and the counter electromotive force is used as regenerative energy and torque for boosting, thereby reducing external energy consumption.
그리고 본 발명은 PAM(pulse amplitude modulation)제어방식과 In addition, the present invention provides a pulse amplitude modulation (PAM) control scheme.
PWM(pulse width modulation)제어방식을 선택적으로 이용하여 최적제어를 구현할 수 있다.Optimum control can be realized by selectively using a PWM (pulse width modulation) control method.
본 발명의 특징은 전동모드와 회생모드의 동시동작이 가능하고, 역기전력의 진행방향을 제어하여 토크로 이용함과 동시에 승압전원으로 이용하여 외부에너지소모를 줄이고자 함이다.A feature of the present invention is that the simultaneous operation of the electric mode and the regenerative mode is possible, and to control the traveling direction of the counter electromotive force to reduce the external energy consumption by using as a boost power.
도3은 3상 동작을 위한 스위칭 시퀸스(sequence)를 도시한 것으로 전동모드와 회생모드제어의 기준이 된다.Fig. 3 shows a switching sequence for three-phase operation, which is a reference for electric mode and regenerative mode control.
본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터는 코일과 인버터가 분리되어 있어 회생모드와 전동모드의 모드변환과 동시동작이 가능하고, 전동모드에서 역기전력의 방향을 제어하므로 역기전력의 량과 자기유도특성을 예측한 동작제어를 할 수 있다. The parallel step-up bidirectional control switch inverter of the present invention has a coil and an inverter separated to enable simultaneous operation with mode switching between the regenerative mode and the electric mode, and controls the direction of the counter electromotive force in the electric mode, thereby improving the amount of counter electromotive force and magnetic induction characteristics. Predictive motion control is possible.
본 발명의 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터는 전동모드의 전류방향(플레밍의 왼손법칙)과 회생모드의 전류방향(플레밍의 오른손법칙)이 반대로 작용하는 점을 고려하여 구성한 3상 이극결선과 양방향제어스위치회로와 회생제어회로로 구성된 승압양방향제어스위치인버터를 병렬로 구성한 3상 병렬 승압형 양방향제어스위치인버터이기 때문에 회생모드에서 역기전력을 제어한 자기증폭을, 전동모드에서 회생에너지를 방전한 승압전원을 만들게 된다. 그러나 이 에너지는 작용을 위하여 인가된 에너지가 반작용에너지로 변환되어 나타난 에너지현상이므로 에너지가 보존 된다. The parallel step-up bidirectional control switch inverter of the present invention is a three-phase bipolar connection and bidirectional control configured in consideration of the fact that the current direction (Fleming's left-hand law) in the electric mode and the regenerative mode current direction (Fleming's right-hand law) work in reverse. It is a three-phase parallel step-up bidirectional control switch inverter that consists of a booster bidirectional control switch inverter composed of a switch circuit and a regenerative control circuit in parallel. Therefore, it boosts the self-amplification that controls the counter electromotive force in the regenerative mode and the boosted power that discharged the regenerative energy in the electric mode. Will be made. However, this energy is conserved because the energy applied for the action is converted into reaction energy.
따라서 본 발명은 반작용에너지를 활용하여 작용으로 이용하므로 외부의 에너지소모를 줄일 수 있다. 특히 역기전력에 의한 자기증폭과 승압은 전기자동차 등의 전동기구동용으로 이용될 경우 배터리의 수와 방전시간을 연장할 수 있는 효과를 가진다.Therefore, the present invention can be used as a function utilizing the reaction energy can reduce the external energy consumption. In particular, self-amplification and boosting by back EMF have the effect of prolonging the number of batteries and the discharge time when used for electric motor drive.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101496818B1 (en) * | 2013-09-03 | 2015-02-27 | 삼성전기주식회사 | Apparatus and method for detecting back electro-motive force of sensorless motor |
KR20160060513A (en) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 삼성중공업 주식회사 | Test equipment of converter |
-
2006
- 2006-08-17 KR KR1020060077814A patent/KR20080016123A/en not_active Application Discontinuation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101496818B1 (en) * | 2013-09-03 | 2015-02-27 | 삼성전기주식회사 | Apparatus and method for detecting back electro-motive force of sensorless motor |
KR20160060513A (en) * | 2014-11-20 | 2016-05-30 | 삼성중공업 주식회사 | Test equipment of converter |
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